Τα βαρυτικά κύματα ανιχνεύουν την εξωτική ύλη μέσα σε αστέρια νετρονίων

Ένα μυστήριο κρύβεται μέσα στα πτώματα των νεκρών αστεριών. Τα αστέρια νετρονίων, που σχηματίζονται όταν ορισμένοι τύποι αστεριών πεθαίνουν σε εκρήξεις σουπερνόβα, είναι η πιο πυκνή μορφή ύλης στο σύμπαν. Οι μαύρες τρύπες είναι το μόνο πράγμα πιο πυκνό, αλλά έχουν ξεφύγει τόσο πλήρως από τα όρια της κανονικής φυσικής που δεν είναι πια ύλη. Τα άτομα στα αστέρια νετρονίων έχουν συμπιεστεί τόσο σφιχτά από τη βαρύτητα που έχουν διασπαστεί, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια μέσα τους συγκρούονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν νετρόνια, αφήνοντας αντικείμενα μεγέθους μικρών πόλεων που περιέχουν μάζες μεγαλύτερες από τον ήλιο. Περίπου το 95 τοις εκατό της μάζας ενός αστέρα νετρονίων είναι καθαρά νετρόνια, αλλά οι φυσικοί αναρωτιούνται τι συμβαίνει στο ίδιο το κέντρο, όπου η πυκνότητα κορυφώνεται. Τα νετρόνια διασπώνται περαιτέρω στα κουάρκ και τα γκλουόνια που τα αποτελούν; Μερικά από τα κουάρκ μεταμορφώνονται από τις κανονικές γεύσεις «πάνω» και «κάτω» σε πιο παράξενα και βαρύτερα «παράξενα κουάρκ» που δεν βρίσκονται στη συνηθισμένη ύλη; Σχηματίζουν τα σωματίδια μια ακραία κατάσταση της ύλης που ονομάζεται υπερρευστό, η οποία σβήνει χωρίς ιξώδες, χωρίς να επιβραδύνεται ποτέ;

Οι επιστήμονες έφτασαν ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση της εσωτερικής λειτουργίας αυτών των παράξενων σωμάτων μελετώντας το φως και τα βαρυτικά κύματα που προκύπτουν όταν δύο αστέρια νετρονίων προσκρούουν μεταξύ τους και γίνονται μια μαύρη τρύπα. Τα βαρυτικά κύματα είναι πτυχές στο χωροχρόνο που χαράσσονται όταν μεγάλες μάζες κινούνται γύρω. Οι επιστήμονες απέκτησαν την ικανότητα να ανιχνεύουν βαρυτικά κύματα μόλις το 2015 και έχουν εντοπίσει μόνο μια χούφτα συμβάντων που αφορούν αστέρια νετρονίων μέχρι στιγμής (τα άλλα ήταν συγκρούσεις μαύρων τρυπών). Αλλά η μελέτη των ιδιοτήτων αυτών των κυμάτων - η συχνότητά τους και το πώς αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου - μπορεί να πει στους επιστήμονες πολλά για τα αντικείμενα που τα δημιούργησαν. Οι φυσικοί αναζητούν ακριβείς μετρήσεις της μάζας και των ακτίνων των άστρων νετρονίων, οι οποίες θα βοηθούσαν στην αποκάλυψη της «εξίσωσης κατάστασης» τους - τη σχέση μεταξύ πίεσης και πυκνότητας μέσα σε αυτά τα αστέρια. Η γνώση της εξίσωσης κατάστασης του αστεριού νετρονίων θα έδειχνε με τη σειρά του τι είδους ύλη κρύβεται μέσα τους.

Σε μια νέα μελέτη, μια διεθνής ομάδα ερευνητών συνδύασε μετρήσεις βαρυτικών κυμάτων από δύο συγκρούσεις άστρων νετρονίων, καθώς και τα φωτεινά σήματα που έφτασαν μαζί με το ένα από αυτά (το άλλο ήταν σκοτεινό), με εκτιμήσεις για μάζες και ακτίνες άστρων νετρονίων από την παρακολούθηση ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων που ονομάζονται πάλσαρ. "Το μεγάλο πλεονέκτημα είναι ότι είναι μια πολύ συνεκτική εικόνα", λέει το μέλος της μελέτης Tim Dietrich από το Πανεπιστήμιο του Πότσνταμ στη Γερμανία, ο οποίος συνέγραψε μια εργασία που αναφέρει τα αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν σήμερα στο Science . «Συνδυάζουμε όλα όσα γνωρίζουμε επί του παρόντος, συμπεριλαμβανομένων των βαρυτικών κυμάτων και των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, των πληροφοριών από μεμονωμένα αστέρια νετρονίων και των θεωρητικών υπολογισμών από την πυρηνική φυσική». Η εξίσωση κατάστασης που έβγαλαν προέβλεψε ότι ένα αστέρι νετρονίων που περιέχει μάζα 1,4 Ήλιων θα είχε ακτίνα περίπου 11,75 χιλιομέτρων, συν ή πλην 0,81 έως ,86 χιλιόμετρα. Αυτό είναι λίγο περισσότερο από το μισό μήκος του Μανχάταν. "Το μέγεθος του αστέρα νετρονίων εξαρτάται άμεσα από τη συμπεριφορά της ύλης μέσα στον πυρήνα, επομένως αυτό μας δίνει μια καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων του υλικού του αστέρα νετρονίων", λέει ο Dietrich.

Για παράδειγμα, εάν τα νετρόνια παραμείνουν ανέπαφα στον πυρήνα αυτών των άστρων, θα ωθηθούν προς τα εξωτερικά στρώματα, οδηγώντας ενδεχομένως σε μια ελαφρώς μεγαλύτερη ακτίνα. Εάν, από την άλλη πλευρά, τα νετρόνια διασπώνται σε μια σούπα από κουάρκ, ο πυρήνας θα ήταν πιο στριμωγμένος και ολόκληρο το αστέρι θα βυθιζόταν σε λίγο, με αποτέλεσμα μια μικρότερη ακτίνα.

Η νέα μέτρηση είναι σε γενική συμφωνία με προηγούμενες μελέτες που εξέτασαν δεδομένα βαρυτικών κυμάτων και άλλους τρόπους μέτρησης του μεγέθους των άστρων νετρονίων. «Αυτό το έγγραφο είναι μια ωραία κοινή επανανάλυση προηγούμενων μελετών και δεν αλλάζει τη συνολική εντύπωση που υπάρχει τα τελευταία χρόνια, ότι η ακτίνα ενός αστέρα νετρονίων είναι περίπου 11 έως 13 χιλιόμετρα», λέει ο Mark Alford. ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις. Η Anna Watts, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ, λέει ότι αυτός ο τύπος συνδυασμένης ανάλυσης «είναι ξεκάθαρα ο δρόμος προς τα εμπρός», αλλά ότι καμία από τις μετρήσεις «δεν είναι ακόμη αρκετά καλή για να εντοπίσει πραγματικά τη φύση της πυκνής ύλης». Το πεδίο θα πρέπει να περιμένει για μελλοντικά δεδομένα για να καταλάβει πραγματικά τι συμβαίνει μέσα σε αστέρια νετρονίων.

«Νομίζω ότι είναι μια πολύ ωραία ανάλυση», λέει ο φυσικός James Lattimer του Πανεπιστημίου Stony Brook, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. Προειδοποιεί ότι κατά τη μοντελοποίηση του πόσο καλά ταιριάζουν οι διαφορετικές πιθανές εξισώσεις κατάστασης στα δεδομένα, η ομάδα μπορεί να έχει κατά λάθος εξαλείψει πάρα πολλές εξισώσεις που παράγουν αστέρια νετρονίων με μεγάλες ακτίνες, ωστόσο. «Νομίζω ότι έχουν υποτιμήσει την αβεβαιότητα τους. Αλλά από κάποια άποψη, είναι θέμα γνώμης και πόση πίστη έχετε σε διαφορετικές στατιστικές μεθόδους."

Εκτός από την αποκάλυψη μυστικών των άστρων νετρονίων, η μελέτη παρήγαγε επίσης μια μέτρηση της σταθεράς Hubble, η οποία αντανακλά τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος. Για να εξαγάγουν τη σταθερά, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το πλάτος των βαρυτικών κυμάτων που προέρχονται από μία από τις συγκρούσεις για να υπολογίσουν πόσο μακριά συνέβη η συντριβή. Στη συνέχεια συνέκριναν τη μέτρηση της απόστασής τους με τη γνωστή ταχύτητα του γαλαξία-ξενιστή της σύγκρουσης, η οποία μετρήθηκε κοιτάζοντας την ερυθρή μετατόπιση του γαλαξία - πόσο το φως του έχει γλιστρήσει προς το κόκκινο άκρο του φάσματος. Η σταθερά Hubble που βρήκαν, 66,2 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec, δεν είναι αρκετά ακριβής για να αποφασίσει μεταξύ των ανταγωνιστικών μετρήσεων που ήδη υπάρχουν, αλλά προσθέτει ένα άλλο σημείο δεδομένων στο έντονα αμφισβητούμενο ερώτημα του πόσο γρήγορα αναπτύσσεται ο κόσμος.

Οι επιστήμονες ελπίζουν να εφαρμόσουν τον ίδιο τύπο ανάλυσης σε μελλοντικές συγκρούσεις αστέρων νετρονίων που θα εμφανιστούν. «Κάναμε αυτό το πρώτο βήμα και τώρα θα προχωρήσουμε προς τα εμπρός», λέει το μέλος της ομάδας Sarah Antier του Πανεπιστημίου του Παρισιού, αστρονόμος που αναζητά φωτεινά σήματα που συνοδεύουν γεγονότα βαρυτικών κυμάτων. "Το καθήκον μου είναι να συνδέσω διαφορετικά παρατηρητήρια για να παρέχω ένα δίκτυο για άμεσες παρατηρήσεις" όταν οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων βρίσκουν ένα νέο σήμα.

Οι φυσικοί αφιερώνουν χρόνο μέχρι η επόμενη γενιά ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων, όπως ο Κοσμικός Εξερευνητής στις ΗΠΑ και το Τηλεσκόπιο Αϊνστάιν στην Ευρώπη, να έρθουν στο διαδίκτυο τη δεκαετία του 2030. Αυτά τα μηχανήματα θα πρέπει να είναι πολύ πιο ευαίσθητα, επιτρέποντάς τους να συλλαμβάνουν πολλά περισσότερα σήματα από περισσότερα συμβάντα και να προσφέρουν δεδομένα μεγαλύτερης ακρίβειας. Μελλοντικά έργα όπως η Αποστολή Ενισχυμένου Χρονισμού ακτίνων Χ και Πολιμετρίας (eXTP) και το Παρατηρητήριο ακτίνων Χ Αθηνά θα πρέπει επίσης να συγκεντρώσουν πιο ακριβείς μετρήσεις πάλσαρ.

Οι επιστήμονες έμαθαν τόσα πολλά στο σύντομο χρονικό διάστημα από τότε που έγιναν διαθέσιμα δεδομένα βαρυτικών κυμάτων, το μέλλον υπόσχεται να επεκτείνει σημαντικά τις γνώσεις μας για την ακραία ύλη υπό έντονη πίεση. «Τα τελευταία τέσσερα χρόνια ήταν αξιοσημείωτα», λέει ο Lattimer. «Δείχνει τις δυνατότητες που θα έχουμε στο μέλλον. Θα πρέπει να έχουμε πολλές περισσότερες μετρήσεις από γεγονότα βαρυτικών κυμάτων και καθώς προσθέτουμε κάθε νέο γεγονός, τα αποτελέσματα θα συγκλίνουν."